Cílem této bakalářské práce je popsat všechny fáze tvorby funkčního postprocesoru pro školní CNC soustruh Emco Turn E-120P v prostředí CAD/CAM systému EdgeCAM. Nejprve se vytvoří zjednodušený 3D model stroje, který se následně vloží do postprocesoru v aplikaci Konstruktér postprocesorů. V této aplikaci se dále definují vlastnosti stroje, podporované příkazy a formáty NC adres. Závěrem celé práce je kompilace postprocesoru, jeho odladění a zkoušení funkčnosti nejprve simulací a nakonec i na skutečně obráběné součásti. Kromě samotného popisu jeho vývoje zde budou uvedeny teoretické informace, týkající se jednotlivých etap tvorby, vlastní poznatky, rady a doporučení, aby bylo možné tuto práci použít i jako jakýsi návod.
Přínosem tohoto postprocesoru nebude jen možnost tvorby NC kódu v EdgeCAMu pro zmíněný soustruh, ale také simulace celého obráběcího procesu. Běžně je při simulaci v CAM systémech vidět pouze obrobek a nástroj, takto bude možné vidět celý stroj „v akci“, pohyby os, výměnu nástrojů apod., což jistě přispěje k lepšímu představení si celého obrábění při výuce. Také bude možné při simulaci kontrolovat všechny pohyby nástrojů a os, zda odpovídají našim představám, a dále kolize nástrojů a nástrojové hlavy s ostatními částmi stroje nebo obrobkem dříve, než by k tomu došlo při reálném obrábění. Pokud tedy při simulaci všechno probíhá tak, jak má, samozřejmě za předpokladu, že je postprocesor správně sestaven, dá se teoreticky předpokládat, že bude bezproblémové i obrábění na skutečném stroji.
2 TVORBA MODELU STROJE 2.1 Měření rozměrů stroje
Plnohodnotný postprocesor s 3D modelem stroje má obsahovat i geometrické údaje o stroji (zjednodušený model). Protože bohužel tento 3D model nebyl k dispozici, bylo nutné ho vytvořit. Celá práce tedy začínala ručním měřením stroje a jeho jednotlivých součástí v Laboratoři CNC strojů Katedry výrobních systémů. Nejprve bylo nutné si každou část načrtnout tužkou do poznámkového bloku a ke každé skice následně přiřadit rozměry. Větší rozměry, které nejsou důležitou částí stroje (např. kryty stroje), byly měřeny obyčejným krejčovským metrem, menší a podstatné rozměry pomocí běžných dílenských měřících pomůcek – digitální posuvné měřítko, ocelové měřítko, úhelník. S pomocí úhelníku byla například změřena kolmá vzdálenost osy vřetena od lože (podle špičky pinoly). Části, které by měly být proměřovány přesněji, jsou hlavně vřeteno se sklíčidlem, revolverová nástrojová hlava a pinola koníku, protože právě v prostoru mezi těmito součástmi se pohybuje nástroj a mohlo by zde docházet k případným kolizím. Naopak rozměry jako referenční poloha, poloha výměny nástroje, točná délka nebo oběžný průměr nad ložem je zbytečné měřit, protože se dají vyhledat v dokumentaci stroje.
Napoprvé je samozřejmě téměř nemožné změřit všechny rozměry tak, aby mohl být celý model bez problémů zkonstruován. Až při samotné tvorbě 3D modelu se zjistí, že nějaký rozměr chybí nebo je pravděpodobně špatně změřen. Proto bylo měření provedeno celkem dvakrát. Také byly pořízeny fotografie jednotlivých součástí stroje. Dobrá fotografie dává při tvorbě 3D modelu mnohem lepší představu o vzhledu součásti než skica. Fotografie jsou také použity ke srovnání modelu se skutečným strojem.
2.2 Tvorba 3D modelu stroje
K modelování stroje byla využita školní verze programu Pro/Engineer Wildfire 2. Jde o plnohodnotný parametrický modelář, často využívaný v průmyslu. Postupovalo se dle klasického způsobu, tzn. nejdříve bylo nutné vymodelovat jednotlivé součásti (Part – Solid, přípona *.prt) a pak sestavit z těchto součástí sestavu (Assembly, přípona *.asm). Součásti, které mají různou funkci (sklíčidlo s vřetenem, uchycení os, nástrojová hlava,…), je nutno modelovat zvlášť (jako samostatné součásti – Parts). Je to nutné z důvodu funkčnosti 3D modelu v postprocesoru. V něm se musí prvkům s různou funkcí přiřadit také různé modely součástí. Například pokud se simuluje pohyb nástroje v některé ose stroje, simulátor hýbe právě tou součástí, která je označena jako uchycení osy. Také je díky tomu možné při simulaci tyto jednotlivé součásti skrýt nebo zobrazit.
Tvary součástí stroje jsou velmi zjednodušené. Byla vynechána veškerá zaoblení, zkosení a nedůležitá osazení. Dále nebyly modelovány šrouby a nýty, přívod chladící kapaliny apod., při zachování hlavních a technologicky důležitých rozměrů. Podrobnější model by sice dával lepší představu o vzhledu, ale výsledný soubor postprocesoru by byl datově větší a také by zabíral vyšší množství operační paměti počítače při simulaci. Složitost modelu je také přímo úměrná náročnosti na výpočetní výkon PC.
V následujících podkapitolách budou popsány jednotlivé součásti, které byly modelované zvlášť, a také výsledná sestava.
2.2.1 Kryty stroje
Na vnějších rozměrech stroje příliš nezáleží, takže nebyly modelovány úplně detailně.
Přesnost krejčovského metru, kterým jsem tyto rozměry měřil, je navíc v řádech centimetrů.
Vnější kryty stroje byly vytvořeny jednoduchým vytažením (Extrude) bočního profilu stroje.
Vnitřní prostor, ve kterém se provádí obrábění (viz obrázek 2), byl vytvořen o něco přesněji než kryty, protože byl měřen prostředky, jejichž přesnost je v řádu milimetrů (ocelové
měřítko, posuvné měřítko). Byla použita stejná modelovací operace – vytažení, ale s odebíráním materiálu. Do prostoru, vytvořeného touto operací, budou umístěny v sestavě všechny zbylé části. Uprostřed zadní části tohoto prostoru je šikmé lože, skloněné o 60° od vodorovné roviny, takže třísky nepadají na něj, ale do spodní části, která je rovněž skloněná.
Obr. 2 – Model krytů stroje
Dveře, které normálně zakrývají obráběcí prostor, nebyly vymodelovány. Zbytečně by zvětšovaly datovou velikost výsledného souboru postprocesoru a nebylo by možné skrz ně vidět do obráběcí oblasti. Navíc se dveře na stroji ovládají ručně, takže by jejich zavírání nešlo ani simulovat.
2.2.2 Vřeteno se sklíčidlem
V levé části obráběcího prostoru se nachází vřeteno soustruhu, na které se nasazují upínací přípravky jako sklíčidlo, nebo kleštiny. Vřeteno je průchozí, s vrtáním 20.7 mm, lze tedy skrz něj podávat materiál k obrábění. Do sklíčidla, které je aktuálně na stroji, lze upnout maximální průměr 20 mm. Sklíčidlo, narozdíl od vřetena, není průchozí. V ose vřetena na jeho přední ploše je umístěn nulový bod stroje – M, výchozí počátek souřadného systému.
Z důvodu jednoduchosti byla modelována pouze ta část vřetena, která vystupuje ze stroje do obráběcího prostoru, současně se sklíčidlem. Společný model těchto dvou součástí byl tedy zjednodušen na jeden osazený válec, do jehož přední části jsou zasazeny tři trochu složitěji modelované čelisti.
Obr. 3 – Porovnání modelu vřetena a skutečnosti 2.2.3 Uchycení osy Z
Součást, která v modelu reprezentuje uchycení hlavní osy stroje – posuvové osy Z, byla modelována vytažením jako jednoduchý hranol s lichoběžníkovou podstavou. Na stroji je sice tato součást přichycena k šikmému loži, které fyzicky koná posuv, ale pro zjednodušení se při
simulaci bude pohybovat uchycení osy Z po loži. Rozsah pohybu této osy je vzhledem k nulovému bodu nástrojového držáku (N) +19.5 až +195.5 mm v absolutních souřadnicích (od bodu M). Osa má kladný směr (při čelním pohledu na stroj) doprava.
Obr. 4 – Model uchycení osy Z 2.2.4 Uchycení osy X
Součást, představující uchycení přísuvové osy X (hlavní osa v rovině upínání obrobku), je tvořena jako tři hranoly obdélníkového průřezu, jejichž spodní podstavy leží v jedné rovině.
Tato součást je v modelu i fyzicky umístěna na uchycení osy Z a pohybuje se po této ose.
Kladný směr má (při čelním pohledu na stroj) nahoru. Její rozsah je vzhledem k bodu N -4 až +52 mm absolutně. Programuje se ale průměrově, tj. že je zadána průměrová hodnota teoretického válce, na jehož povrch chceme nulovým bodem nástroje (P) najet (ne absolutní vzdálenost od osy vřetena).
Obr.5 – Model uchycení osy X 2.2.5 Nástrojová hlava
Nástroje (včetně referenčního) jsou na tomto stroji uchyceny na revolverové nástrojové hlavě s osou rovnoběžnou s osou vřetena, přičemž vzdálenost mezi osami je 123.2 mm. Hlava je umístěna na levé straně uchycení osy X. Do této hlavy je možno pomocí šroubů upnout až 8 nástrojů. Hlava je určena pro nástroje čtvercového průřezu (12×12 mm). 3D model je tvořen jednoduchým kotoučem, z kterého vystupují boční upínací plochy, jejichž vzdálenost od sebe je 24 mm, a trn o průměru 35 mm, na který se umístí zadní plochy nástrojů. Samotné nástroje nebylo nutné modelovat v systému Pro/Engineer, ale byly vytvořeny v modulu Zásobníku nástrojů v systému EdgeCAMu (viz kapitola 4.1).
Obr. 6 – Porovnání nástrojové hlavy s modelem
2.2.6 Koník
Koník se zde nachází jako na většině soustruhů v pravé části obráběcího prostoru; osa pinoly je totožná s osou vřetena. Koník je nepohyblivý, pouze pinola se pohybuje vpřed a vzad, a nelze jí zaměnit za jiný nástroj nebo přípravek. Její pohyb bohužel nejde v EdgeCAMu nijak simulovat. 3D model koníku byl vytvořen pomocí jednoduchého vysunutí pravoúhlých tvarů, pouze pinola je modelována přesněji, rotací jejího profilu.
Obr. 7 – Srovnání modelu koníku (pinoly) se skutečností 2.2.7 Tvorba sestavy
Ze všech výše uvedených částí byla nakonec vytvořena v Pro/Engineeru sestava stroje.
Zde je potřeba zajistit, aby souřadný systém sestavy byl shodný se souřadným systémem stroje, tzn. aby se počátek soustavy souřadnic celé sestavy nacházel ve stejném místě jako nulový bod stroje (M), osa Z měla kladný směr doprava a osa X nahoru. Toho se dosáhne vhodným zavazbením první vložené součásti – krytů stroje, neboli zadáním vzdáleností určitých ploch krytů od základních rovin sestavy – Top, Front a Right. Rovina Top je tvořena osami X a Z, rovina Front osami X a Y a rovina Right osami Z a Y. Například bylo změřeno, že nulový bod stroje se nachází 67.5 mm vpravo od levého kraje obráběcího prostoru. Proto se při definici vazeb musí označit levá okrajová plocha tohoto prostoru a rovina Front, která s ní má být rovnoběžná, zvolit typ vazby Align a do hodnoty Offset (odsazení) zadat -67.5.
Dále byly vloženy ostatní části. Vložení koníku nebo vřetena se sklíčidlem, jehož osa je shodná s osou Z (průsečík rovin Top a Right) a levá strana přiléhá na levý okraj obráběcího prostoru, nebyl velký problém. Větší pozornost je třeba věnovat umístění uchycení os, protože se musí v modelu nacházet v referenční poloze, což je zároveň poloha výměny nástroje a
mezní poloha os. Číselně vyjádřeno, nulový bod nástrojového držáku (N) se musí nacházet v absolutních souřadnicích v bodě X = +104 mm a Z = +195.5 mm. Bod N slouží jako počátek pro určování polohy ostří nástrojů. Leží na čelní straně revolverové hlavy v ose otvoru pro upínání nástrojů pro vnitřní soustružení (referenční nástroj). Vypnutý stroj se nachází právě v této poloze, takže lze orientačně změřit vzájemné vzdálenosti uchycení os a nástrojové hlavy od krytů, ale je třeba je pak doladit do výše uvedené polohy.
Obr. 8 – Porovnání modelu stroje se skutečným strojem
2.3 Zajištění kompatibility modelu s Konstruktérem postprocesorů
Model celého stroje byl vytvořen jako klasická sestava Pro/Engineeru s příponou .asm.
Protože do aplikace Konstruktér postprocesorů nelze přímo vkládat takovýto model, je třeba ho tam vložit pomocí další aplikace systému EdgeCAM – EdgeCAM Part Modeler. Ani tato aplikace však neumí zpracovat formát .asm, proto bylo třeba exportovat model v jiném formátu, který Part Modeler podporuje. Zde byl použit formát Parasolid. Export se provede následujícím způsobem: File → Save a copy… , zadáme název souboru, umístění souboru a z rozbalovacího menu Type zvolíme Parasolid (*.x_t). Objeví se dialogové okno, ve kterém zvolíme za Coordinate system souřadný systém sestavy, zbylé možnosti necháme tak jak jsou a klikneme na OK.
Dále spustíme aplikaci EdgeCAM Part Modeler. Otevřeme nový soubor a jednoduše vložíme model pomocí Vložit → Soubor Parasolid a vybereme soubor s modelem. Po kontrole, zda se všechny části správně vložily, můžeme model zpřístupnit pro aplikaci Konstruktér postprocesorů, a to klinutím pravým tlačítkem myši na vybraný prvek v levém sloupci (strom prvků) a volbou Výstup modelu. Lze vybrat i celý model stroje najednou.
Je také možné vytvořit model stroje v aplikaci Part Modeler, ale v systému Pro/Engineer byl vytvořen proto, že nabízí více možností než Part Modeler.
3 TVORBA POSTPROCESORU 3.1 Úvod do tvorby postprocesoru
Jak je již popisováno v kapitole 1.2, samotný postprocesor ke stroji Emco Turn E-120P byl vytvářel ručně v prostředí EdgeCAMu. Byla použita školní verze EdgeCAM 12.50 s českým překladem. Ke tvorbě postprocesorů má tento CAD/CAM systém výborný nástroj – aplikaci Konstruktér postprocesorů. Postprocesor stroje se v Konstruktéru tvoří v interaktivním dialogu s technologem, který svými volbami a nastavením vytvoří postprocesor odvozením od vzoru z databáze, který nejblíže vyhovuje jeho konkrétnímu stroji [4]. Pokud se zvolí k editaci stroj podobný tomu, který bude vytvářen, je pak méně práce s přizpůsobením tvořeného postprocesoru. Po spuštění Konstruktéra postprocesorů se tedy v úvodním dialogu zvolí Začít nový dokument. Objeví se okno pro výběr profesního typu stroje, podle kterého bude nový postprocesor tvořen, tj. bude od něj odvozen. V nabídce jsou soustruh, frézka a drátořez. Po vybrání typu (zde samozřejmě soustruh) se objeví okno výběru konkrétního vzoru, se kterým se bude dále pracovat. Pro tento postprocesor zde byl v dolní tabulce vybrán vzor adaptive-generic-iso.cgt. Dále se zaškrtne políčko Načíst výchozí parametrickou grafiku.
Díky tomu se načetl kompletní postprocesor včetně grafiky stroje a bylo možné ho začít editovat.
3.2 Definování geometrie stroje
Pracovní okno aplikace Konstruktér postprocesorů se skládá z několika částí. Největší plochu zaujímá grafická zóna, která slouží k zobrazení 3D modelu stroje. Jednotlivé části stroje je možné zobrazit či skrýt pomocí panelu příkazových ikon Zobrazení. V levé části se nachází přesouvatelná okna pro sestavení stroje, upínače a držáky, vlastnosti, náhled a etapy zpracování postprocesoru.
Na začátku definování grafiky stroje je nutné smazat všechny nepoužité modely ze vzoru. V pracovních oknech Upínače a Sestavení stroje byly smazány všechny modely součástí předlohy, kromě sklíčidla. Díky tomu lze sklíčidlo stroje modelovat přímo v Konstruktéru postprocesorů, v okně Vlastnosti, zadáním parametrů jako průměr vřetena, jeho délka a vrtání, počet čelistí, rozměry čelistí apod. Dále je třeba zadat vzdálenost nulového bodu stroje od levého konce vřetena jako Z-ovou hodnotu v řádku Počátek.
Výhodou takto vytvořeného sklíčidla je, že při simulaci lze zadat průměr obráběného polotovaru a čelisti se na něj samy nastaví.
Následně se pomocí aplikace Part Modeler (viz kapitola 2.3) zpřístupní 3D model stroje pro Konstruktéra postprocesorů. Lze vložit buď celý model najednou, nebo po jednotlivých částech. Vložení se provede kliknutím pravým tlačítkem myši na daný prvek v okně Sestavení stroje a volbou Vložit model z kontextového menu. Pokud se vloží celý model najednou, je třeba přesunout modely jednotlivých částí k příslušným prvkům stroje (osy X a Z, vřeteno, nástrojová hlava). Vložené modely není třeba nijak posouvat, pokud je správně umístěn počátek souřadného systému, umístí se prvky do grafické zóny automaticky podle něj na stejnou pozici jako v Part Modeleru.
Dále je nutné vyplnit jednotlivým prvkům stroje jejich vlastnosti, a to kliknutím na vybraný prvek a zadáním hodnot v okně Vlastnosti. U os jsou to především jejich rozsahy, u nástrojové hlavy počet poloh. Posuvníkem pozice můžeme osami pohybovat v rámci jejich zadaného rozsahu. Po přiřazení typu součásti v řádku Obrábění (možnosti jsou Upínka, Kryty, Lože, Nástrojová hlava, Uchycení osy, Stůl) lze tyto typy zde v Konstruktéru postprocesorů nebo při simulaci zobrazit či skrýt. Pro přehlednost je také dobré jednotlivé grafické prvky vhodně pojmenovat, případně zadat barvu nebo průhlednost.
Tím jsou práce na grafice stroje hotovy. Na následujícím obrázku (Obr.9) je vidět strom prvků tohoto postprocesoru včetně modelu.
Obr. 9 – Strom prvků postprocesoru
3.3 Parametry stroje
Práce na postprocesoru pokračují zadáním parametrů NC stroje, jednotlivých voleb řídícího systému do okna, které se zobrazí po kliknutí na ikonu Parametry stroje. Zadávají se sem základní identifikační a nastavovací údaje o stroji, jako jsou např. informace o jeho obrábění v EdgeCAMu možno odhadnout schopnosti postprocesoru.
o Jednotky (mm) – jednotky použité v partprogramu pro délkové rozměry (mm, palce).
o Výchozí přípona NC souboru (ANC) – přípona souboru s výstupním NC kódem.
Zapisuje se bez předcházející tečky.
o Maximální rychloposuv (3000) – maximální možná rychlost posuvu stroje (funkce G00) v mm/min
o Rozklad rychloposuvu (zatrženo) – zatržením této možnosti probíhá rychloposuv nejkratší možnou úsečkou. Jinak je pohyb v obou osách stejně rychlý a dráha v ose s delším pohybem se „dotáhne“ ve směru této osy. [4]
Oddíl Nástrojová hlava je určen držákům obráběcích nástrojů. Sestava nastavovacích parametrů a voleb se může lišit podle vzoru postprocesoru. Kromě názvu je důležité vyplnit tyto parametry:
o Počet poloh (8) – počet indexovacích poloh hlavy (max. počet nástrojů v hlavě).
o Poloha reference (123.2; 0; 195.5) – souřadnice počáteční pozice nástroje (referenčního bodu R) v absolutních souřadnicích. Nemá význam, pokud má stroj absolutní odměřování polohy.
o Poloha výměny nástroje (123.2; 0; 195.5) – souřadnice standardní polohy pro výměnu nástroje. Ponechají-li se nulové, použijí se místo nich automaticky souřadnice
o Umístění počátku (0; 0; 0) – vzdálenost počátku na vřetenu od nulového bodu stroje. U hlavního vřetena je standardně nastavena na nulu. Důležité hlavně u vícevřetenových soustruhů.
o Výkon (3) – výkon vřetena v koňských silách (HP). Možnost zadat výkon v kW tu bohužel není.
o Od počátku k čelu upínače (55) – vzdálenost (na ose Z, v mm) od počátku na vřetenu k vnější čelní ploše upínače, tedy tloušťka těla sklíčidla včetně vysunutí čelistí. Měla by odpovídat příslušnému rozměru na modelu. [4]
Řady otáček pro každé vřeteno stroje se nastavují v oddílu Otáčky – řady. Pro každou otáčkovou řadu se zadává hodnota nejnižších a nejvyšších možných otáček (za minutu), nejvyšší užívané otáčky a číslo M funkce pro řazení dané řady na stroji. Na tomto stroji je pouze jedna řada otáček, o rozsahu 150 až 4000 ot/min; M-kód není přiřazen.
3.4 Formáty NC adres
V etapě zpracování Formáty NC adres se definují výstupní formáty prvků bloků v sekvencích NC kódu. Bloky musí být v NC kódu zapsány přesně podle určitého formátu, protože jinak řídící systém příkazy provede chybně nebo vůbec. Struktura programu a formát jednotlivých bloků je v současné době upraven normou ISO 14649 (vydána 2004). Proto se tento způsob také nazývá programování v ISO-kódu. Jak přesně mají bloky vypadat pro řídící systém Emcotronic TM02, je popsáno v návodu k programování soustruhu (zde [3]). Na následujícím obrázku je příklad formátu jednoho bloku NC programu.
Obr. 10 – Příklad bloku NC kódu [1]
Každý blok (řádek programu, věta) se skládá z čísla bloku (označuje jednotlivé bloky, začíná písmenem N – number) a jednotlivých slov (například G01, F300, Z-20.5). Slova se dále skládají z tzv. adresné části tvořené jedním písmenem a významové části, tvořené posloupností číslic. Slova od sebe musí být oddělena právě jednou mezerou, mezi adresnou a významovou částí slova mezera není.
V tabulce Formáty NC adres je sekce Popis adres. Zde se vybere adresa pro funkci stroje nebo jiná číselná proměnná, kterou chceme upravovat. Úprava jejího výstupního formátu probíhá v sekcích Definuj formát adresy a Počet číslic. Pod seznamem je i možnost editovat písmeno adresy a její popis. U číslic se zde určuje maximální počet dekád před a za desetinnou tečkou. Například dráha pojezdu v ose X má mít před desetinnou tečkou 4 místa a za ní 3 místa. Proto se hodnota pole Celá část nastaví postranními šipkami na 4 a pole Desetinná část na 3. Je zde i rozlišení formátu čísel v palcích a milimetrech; pro tento soustruh má význam hlavně nastavování milimetrových rozměrů. V sekci Definuj formát adresy se zatrhnou požadované varianty výstupního formátu. Pokud se varianty formátu vzájemně vylučují, znepřístupní se vyloučená varianta. Lze to vidět na obr. 11, kde se u adresy Z-pohybu po zatrhnutí volby Koncové nuly znepřístupnila volba Koncové mezery.
V tabulce Formáty NC adres je sekce Popis adres. Zde se vybere adresa pro funkci stroje nebo jiná číselná proměnná, kterou chceme upravovat. Úprava jejího výstupního formátu probíhá v sekcích Definuj formát adresy a Počet číslic. Pod seznamem je i možnost editovat písmeno adresy a její popis. U číslic se zde určuje maximální počet dekád před a za desetinnou tečkou. Například dráha pojezdu v ose X má mít před desetinnou tečkou 4 místa a za ní 3 místa. Proto se hodnota pole Celá část nastaví postranními šipkami na 4 a pole Desetinná část na 3. Je zde i rozlišení formátu čísel v palcích a milimetrech; pro tento soustruh má význam hlavně nastavování milimetrových rozměrů. V sekci Definuj formát adresy se zatrhnou požadované varianty výstupního formátu. Pokud se varianty formátu vzájemně vylučují, znepřístupní se vyloučená varianta. Lze to vidět na obr. 11, kde se u adresy Z-pohybu po zatrhnutí volby Koncové nuly znepřístupnila volba Koncové mezery.